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离心泵内部空化流动的定常数值模拟及性能预测刘宜;陈建新;宋怀德;李爱学;李永乐【摘要】为了研究离心泵内部的空化流动,利用fluent软件中的空蚀模型及混合流体两相流模型,对离心泵的三维湍流空蚀流场进行定常数值模拟,根据模拟计算结果显示的液相和空泡相流动特征,预测了离心泵在设计工况下运行时流道内空化发生的位置和程度;通过分析空蚀发生过程中叶片上的压力分布,揭示出离心泵流道内部流场的内在特性,最后对泵的性能进行了预测,说明数值模拟可以为离心泵在特定工况下运行时的空化性能预测提供依据.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2010(000)008【总页数】5页(P41-45)【关键词】离心泵;定常数值模拟;空化;叶片【作者】刘宜;陈建新;宋怀德;李爱学;李永乐【作者单位】兰州理工大学流体动力与控制学院,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学流体动力与控制学院,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学流体动力与控制学院,甘肃,兰州,730050;上海凯泉泵业(集团)有限公司,上海,200436;兰州理工大学流体动力与控制学院,甘肃,兰州,730050【正文语种】中文【中图分类】TH311空化现象对离心泵性能具有重要的影响，离心泵在实际运行的过程中，空化现象的发生导致离心泵扬程下降，进而引起泵运行特性的改变、振动和噪声等一系列问题，严重时会使泵中液流中断，不能正常工作，所以空蚀破坏是引起离心泵故障的主要原因之一，提高离心泵的空化性能对离心泵安全、稳定、高效的运行具有重要意义。
随着计算机技术和CFD技术的快速发展，从研究离心泵内部流体的流动机理出发，用数值模拟研究离心泵内部空化流动，指导改善离心泵内部的空化性能已成为离心泵性能分析、优化设计的一个重要阶段。
本文将以某厂生产的单级离心泵为研究对象，采用Fluent软件，将Singhal等人研究发展的三维混合流体完整空化湍流模型与混合流体两相流模型相结合，对离心泵内部的全流道三维空化流动进行定常数值模拟研究，分析了在设计工况下离心泵叶轮内部流场的压力、速度、空泡体积分数分布和离心泵整机性能，这对改善离心泵的空化性能、优化设计有着重要的意义。
文章编号：1006-8139（2013）02-001-04基于 CFX 的离心泵内部流场三维数值模拟彦 1，2 吴建华 1麻 （1.太原理工大学水利科学与工程学院 山西太原 030024；2.山西水利职业技术学院 山西太原 030027）摘 要：基于三维不可压缩流体的 Ｎ-Ｓ 方程和标准 k -ε 湍流模型，采用隐式修正 SIMPLE 算法，利用 CFX 软 件，对离心泵装置进行全流场三维数值模拟，共计算额定转速下 30～80 m 3/h 流量范围内 8 个工况点。
对比分析小流量 工况、设计工况和大流量工况下泵装置流态和压力分布，并分析叶片表面静压，揭示内部流动规律，所得结果对预测水力 性能，提高水泵效率及进一步结构优化具有重要的参考价值。
关键词：离心泵；叶片；内流场；数值模拟；CFX中图分类号：TV131 文献标识码：AThree-Dimensional Numerical Simulation of Internal Flow Field in Centrifugal Pump Based on CFXMA Yan ，WU Ji an-huaAbstract: Base d on thr ee -dimension N -S equations and the standard k -ε Turbulence model, adopting SIMPLE algor i thm, thi s paper simulates the whole flow domain in Pum p System by using CFX. The flow regime and the distribution of pressure in the pump are i nvestigated contrastively under these conditions: the small flow r ate condition, the design condition and the flow big rate condition based on the calculat i on of different operating conditions with the flow rates ran ge 30～80 m 3/h at the rated rotating speed, and analyz i ng blade pressure to find out the law of the inner flow of the centr i fugal pump. The result provides theoretical foundat i on for forecasting hydraulic performance and optim i zing centr i fugal pump structur e.key words: centr i fugal pump ；blade ；i nternal flow fi eld ；numer i cal simulation ；CFX离心泵因其流量小、扬程高、安装检修方便等特点在工、农业生产中有着广泛应用。
第３９卷 第４期Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．４袁寿其基于ＭＵＳＩＧ模型的气液两相流离心泵内部流动数值模拟袁寿其，何文婷，司乔瑞 ，袁建平，张皓阳，崔强磊（江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏镇江２１２０１３）收稿日期：２０２０－０４－１０；修回日期：２０２０－０５－０２；网络出版时间：２０２１－０４－０７网络出版地址：ｈｔｔｐｓ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１８１４．ｔｈ．２０２１０４０６．１１３９．０２６．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１７７９１０７）第一作者简介：袁寿其（１９６３—），男，上海金山人，研究员，博士生导师（ｓｈｏｕｑｉｙ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事流体机械及排灌机械研究．通信作者简介：司乔瑞（１９８６—），男，河南开封人，研究员，博士生导师（ｓｉｑｉａｏｒｕｉ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事泵内部流动机理及特性研究．摘要：为了解决气液两相流泵内部流动数值模拟中所采用的欧拉－欧拉双流体非均相流模型无法考虑气泡离散相粒子直径变化以及气相之间的聚合作用与破碎作用，导致在高含气量时的模拟结果与试验存在一定差距的问题，文中将一种新型的欧拉－欧拉双流体拓展模型，即ＭＵＳＩＧ模型用于气液两相流泵内部流动的数值模拟，通过与气液两相流工况外特性试验数据对比发现，入口含气率在５％左右时，ＭＵＳＩＧ模型计算得到的外特性曲线与试验结果整体趋势吻合较好；普通的欧拉－欧拉两相流模型在大含气率下与试验相差较大．基于ＭＵＳＩＧ模型，分析入口含气率对内部流动特性的影响，发现入口含气率的增加会引起内流失稳和流线紊乱，气相逐渐聚集在前盖板与流道中间部位，最后引起能量损失，叶轮出口压力下降．这些现象会随着入口含气率增加而逐渐加剧，最终扬程与效率均会随着含气率增加而下降．含气率小于３％时，内流较稳定；当入口含气率为５％时，扬程下降至３２ｍ，效率下降至５５％，推测此时流道内气相聚合，生成气囊．关键词：离心泵；气液两相流；ＭＵＳＩＧ模型；欧拉－欧拉双流体模型；外特性曲线中图分类号：Ｓ２７７．９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－８５３０（２０２１）０４－０３２５－０６Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８５３０．２０．０１０４ 袁寿其，何文婷，司乔瑞，等．基于ＭＵＳＩＧ模型的气液两相流离心泵内部流动数值模拟［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０２１，３９（４）：３２５－３３０，３３７． ＹＵＡＮＳｈｏｕｑｉ，ＨＥＷｅｎｔｉｎｇ，ＳＩＱｉａｏｒｕｉ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｉｎｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｂａｓｅｄｏｎＭＵＳＩＧｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＪＤＩＭＥ），２０２１，３９（４）：３２５－３３０，３３７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｉｎｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐｂａｓｅｄｏｎＭＵＳＩＧｍｏｄｅｌＹＵＡＮＳｈｏｕｑｉ，ＨＥＷｅｎｔｉｎｇ，ＳＩＱｉａｏｒｕｉ，ＹＵＡＮＪｉａｎｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＨａｏｙａｎｇ，ＣＵＩＱｉａｎｇｌｅｉ（ＮａｔｉｏｎａｌＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＰｕｍｐｓ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＥｕｌｅｒｉａｎ－Ｅｕｌｅｒｉａｎｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｍｏｄｅｌｕｓｅｄｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｅｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｐｕｍｐｃａｎｎｏｔｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅａｉｒｂｕｂｂｌｅｓｄｉａｍｅｔｅｒｃｈａｎｇｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｉｓａｃｅｒｔａｉｎｇａｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｗｈｅｎｔｈｅｇａｓｃｏｎｔｅｎｔｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｈｉｇｈ．ＴｈｅＭＵＳＩＧｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈｉｓａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｅｘｐａｎｓｉｏｎｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎｏｒｉｇｉｎａｌＥｕｌｅｒｉａｎ－Ｅｕｌｅｒｉａｎｍｏｄｅｌ，ｃａｎｃａｌｃｕｌａｔｅｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｓｈｏｗｓｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｇａｓｃｏｎｔｅｎｔｉｓａｂｏｕｔ５％，ｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅＭＵＳＩＧｍｏｄｅｌｈａｓａｓｌｉｇｈｔｄｅｖｉａｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｅｘｐｅｒｉ ｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ，ｂｕｔｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｔｒｅｎｄｉｓｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｆｌｏｗｃｈａ ｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｓｉｄｅｔｈｅｐｕｍｐｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔＩＧＶＦ（ｉｎｌｅｔｇａｓｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎ）ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｉｎｌｅｔｇａｓｃｏｎｔｅｎｔｗｉｌｌｃａｕｓｅｅｎｔｉｒｅｆｌｏｗｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ；ｔｈｅｇａｓｐｈａｓｅｗｉｌｌｇｒａｄｕａｌ ｌｙａｃｃｕｍｕｌａｔｅｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｏｆｔｈｅｓｈｏｕｌｄａｎｄｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ；ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒｄｒｏｐｓ．ＴｈｅｓｅｐｈｅｎｏｍｅｎａｗｉｌｌｇｒａｄｕａｌｌｙｉｎｔｅｎｓｉｆｙｗｉｔｈｔｈｅＩＧＶＦｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ａｎｄｈｅａｄａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｉｌｌｄｅ ｃｒｅａｓｅｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｗｈｅｎｔｈｅｇａｓｃｏｎｔｅｎｔｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ３％，ｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｔａｂｌｅ；ｗｈｅｎｔｈｅｉｎｌｅｔｇａｓｃｏｎｔｅｎｔｉｓ５％，ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｉｌｌｓｕｄｄｅｎｌｙｄｒｏｐ，ａｎｄｔｈｅｇａｓａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｏｃｃｕｒｓｉｎｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐ；ｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗ；ＭＵＳＩＧｍｏｄｅｌ；Ｅｕｌｅｒｉａｎ－Ｅｕｌｅｒｉａｎｔｗｏ ｐｈａｓｅｍｏｄｅｌ；ｐｕｍｐｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｕｒｖｅ 离心泵广泛应用于石油、化工及天然气输送、核电站等领域，与国民生计关系紧密［１－２］．由于泵的工作环境千差万别，常常出现各种特殊情况，例如多相流、空化、汽蚀等现象的发生．气液两相流是较为常见的一种多相流，指纯水流体中混入一定含量的空气．诸多研究发现，离心泵的性能与内部流动都会受到入口气体含量的影响．袁建平等［３］认为含气率达到１０％时，会出现气液分离现象，造成离心泵输水性能急剧下降；含气率逐渐增加的过程中，叶轮出口压力逐渐降低，说明气液两相流会造成离心泵一定程度的扬程损失．唐苑峰等［４］认为离心泵外特性会随着含气率增加而下降．ＳＨＡＯ等［５］通过可视化试验，证实了随含气率的增加，内部流动会呈现４种气液两相流流态，即泡状流、聚合泡状流、气囊流和气液分离流；结合离心泵外特性变化规律分析发现，两相流流型与外特性存在紧密联系，例如扬程与效率出现骤降时，同时也会伴随气囊流的出现．当前，随着纯水工况下离心泵内部流动数值模拟研究的深入，已经可以准确预测泵的性能．而对气液两相流泵的数值模拟工作开展相对较少，ＳＩ等［６］基于欧拉－欧拉双流体非均相模型，模拟分析了不同含气率下离心泵性能以及内流变化规律，但模拟中并未考虑气泡形变和气泡碰撞合并现象．当前，基于欧拉－欧拉双流体模型，将气体粒子的直径变化规律、聚合以及分裂等加入计算，延伸出ＰＢＭ－ＣＦＤ耦合模型与ＭＵＳＩＧ模型［７］．戈振国［８］基于ＰＢＭ－ＣＦＤ耦合模型，模拟分析了气泡直径和流型转变的规律对离心泵性能的影响．文中进一步探究另一种基于欧拉－欧拉双流体的拓展模型———ＭＵＳＩＧ模型用于气液两相流泵内部流动数值模拟的可靠性，进而分析含气率对内流场以及外特性的影响．１ 数值计算１．１ 模型泵参数模型泵采用单极单吸离心泵，基本参数中，比转数ｎｓ＝８８．６，叶片数Ｚ＝６，纯水工况下额定流量Ｑｄ＝５０ｍ３·ｈ，额定扬程Ｈ＝３４ｍ，额定转速ｎ＝２９００ｒ／ｍｉｎ．叶轮进口直径Ｄ１＝７４ｍｍ，叶轮出口直径Ｄ２＝１７４ｍｍ，叶片出口宽度ｂ２＝１２ｍｍ，泵进口直径Ｄｓ＝６５ｍｍ，泵出口直径Ｄｄ＝６５ｍｍ．１．２ 网格划分及边界条件设置１．２．１ 网格划分与无关性分析图１，２分别为模型泵部件网格划分与总装配图．采用结构化网格，水体结构分为进口管、口环、叶轮、泵腔、蜗壳与出口管６个部分，网格总数为４００万．图１ 模型泵水利部件网格示意图Ｆｉｇ．１ Ｇｒｉｄｓｏｆｐｕｍｐ图２ 模型泵三维总装配图Ｆｉｇ．２ Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｇｅｎｅｒａｌａｓｓｅｍｂｌｙｄｒａｗｉｎｇｏｆｍｏｄｅｌｐｕｍｐ为了确定适用于计算的网格数，进行无关性分３２６析，发现网格数达到４００万时，扬程趋于平稳．最终确定网格总数为４００万，并且最小角度未小于１８°，可以保证计算精度．１．２．２ 边界条件设置基于定常计算离心泵的扬程与效率，基于非定常分析内流规律．将２５℃的纯水以及空气混合作为流体介质，入口边界设定气相体积分数，入口压力为１０１．３２５ｋＰａ，出口设置为质量流量．ＭＵＳＩＧ模型设置：气相离散流体，入口气泡组分组设置为１２组，最小粒径为０．１ｍｍ，最大粒径为１．０ｍｍ．粒子分组过少，导致计算不符合实际情况，分组过多，计算耗时较长且不易收敛［９］．欧拉－欧拉非均相流模型设置：气相为离散流体，平均粒径设置为０．１ｍｍ．非定常设置：非定常计算时设为ＴｒａｎｓｉｅｎｔＲｏｔｏｒＳｔａｔｏｒ，并且以定常计算结果作为非定常计算的初始条件，取叶轮每转３°计算１次，则时间步长Δｔ＝１．７２４×１０－４ｓ，总时间为０．２０６９ｓ，对最后稳定的５周数据进行处理．１．３ ＭＵＳＩＧ模型气液两相流泵内部两相流模型是选择了基于欧拉－欧拉双流体模型的一种新型拓展模型，即ＭＵＳＩＧ模型．该模型与欧拉－欧拉双流体非均相流模型不同的是，考虑离散相粒子直径的变化，以及气相之间的聚合作用与破碎作用．其基本原理是，将所有粒子划分为粒径不同的Ｎ组，每一组粒子拥有各自独立的连续性方程，但却拥有同一套动量方程，最终去求解Ｎ＋１组方程．连续性方程为ｔ（αｋρｋ）＋ ·（αｋρｋωｋ）＝０，（１）动量方程为ｔ（αｋρｋωｋ）＋ ·（αｋρｋωｋ ωｋ）＝－αｋ ｐｋ＋ ·｛αｋμｋ［ ωｋ＋（ ωｋ）Ｔ］｝＋Ｍｋ＋αｋρｋｆｋ，（２）式中：ｋ为任意相；ρｋ为ｋ相密度；ｐｋ为ｋ相压力；αｋ为ｋ相体积分数；μｋ为ｋ相动力黏度；ωｋ为ｋ相流体相对速度；Ｍｋ为ｋ相所受相间作用力；ｆｋ为与叶轮旋转有关的质量力．ＭＵＳＩＧ模型中采用的气泡粒子破碎模型来源于ＬＵＯ等［１０］针对湍流场中的粒子破碎行为的研究，气体粒子的合并模型来源于ＰＲＩＮＣＥ等［１１］的研究．２ 外特性试验验证２．１ 气液两相流泵实验台及试验过程介绍试验采用开式实验台，由开式储水箱和进出口管路等组成纯水试验回路，纯水试验完成后，加入压缩机、气液混合器和输气管等组成气体输送回路［１２］，实验台示意图如图３所示．图３ 试验示意图Ｆｉｇ．３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｃｈｅｍａｔｉｃ２．２ 气液两相流数值模拟与试验验证图４为额定工况下，普通两相流模型与ＭＵＳＩＧ模型的扬程与效率随入口含气率（ＩＧＶＦ）变化曲线对比．额定工况下，纯水扬程为３５ｍ，随着入口含气率增加扬程有明显的下降趋势．其中，入口含气率未超过３％时，扬程无明显波动，２种模型计算结果与试验结果都较为接近，说明这时内流相对较为稳定，气相并未造成明显的水力损失．当入口含气率到达５％时，试验扬程出现了骤降，试验过程中，通过调节气体阀门增加入口含气率，同时调节液体阀门使得液体质量流量不变，这个过程入口质量流量出现波动，但是最终维持稳定状态．试验结果显示扬程从３５ｍ降至２６ｍ左右，ＭＵＳＩＧ模型结果也出现了骤降，从３５ｍ降至３１ｍ左右，较试验略有偏高，普通模型结果只出现略微下降趋势．入口含气率继续增加，ＭＵＳＩＧ模拟结果与试验结果都出现了更剧烈的骤降．当含气率到达１０％时，模拟扬程与试验扬程都下降至２０ｍ以下．整体比较发现，普通气液两相流模型在含气率超过３％时，与实际扬程误差增大，不能模拟出试验中扬程骤降，而ＭＵＳＩＧ模型能够较好地与试验扬程相匹配．３２７图４ 额定流量下的扬程与效率随入口含气率（ＩＧＶＦ）变化曲线Ｆｉｇ．４ Ｈｅａｄａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃｈａｎｇｅｗｉｔｈｉｎｌｅｔｇａｓｃｏｎｔｅｎｔ（ＩＧＶＦ）ｕｎｄｅｒｔｈｅｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄｔｗｏ ｐｈａｓｅｆｌｏｗｃｏｎｄｉｔｉｏｎｆｏｒＱ＝Ｑｄ随着含气率增加，离心泵的效率也逐步下降，含气率为５％时，试验效率从７９％骤降至４８％，效率骤降说明含气率到达５％时，输水能力急剧下降．最终效率在含气率为１０％时下降至３５％左右，离心泵输水能力损失较严重．当含气率在５％左右时，ＭＵＳＩＧ模型计算得到的外特性曲线与试验结果有少量偏差，扬程相差３ｍ左右，效率相差８％左右，而在含气率较小时则均有非常好的一致性．因为少量的气体并不能形成严重的水利损失，流场稳定程度接近于纯水工况，但是ＭＵＳＩＧ模型整体趋势的符合度非常好．入口含气率超过５％时，普通两相流模型没有将气相粒子的形变考虑在计算过程中，计算结果与实际情况差距较大，入口含气率增加至７％时，误差达到最大值．３ 内流分析３．１ 流线分布图５为纯水工况下，叶轮内液体流线分布（额定工况）．流体流过高速旋转的叶轮时，流线排列越顺畅，造成的水力损失就越小．额定流量，纯水工况下，液体流线均匀有序地充满整个流道，并没有出现剧烈的速度波动，也没有出现由流场不稳定引起的流动行为，例如回流等．所以，纯水工况离心泵几乎可以达到稳定状态，流场中没有多余的能量损耗以及水力损失，扬程和效率都较高．图５ 额定流量下入口含气率为０时流线分布Ｆｉｇ．５ ＳｔｒｅａｍｌｉｎｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒＱ＝Ｑｄ，ＩＧＶＦ＝０图６为ＩＧＶＦ＝３％时，离心泵内液体流线分布．入口含气率为３％时，流线沿着流道排列顺畅，未发现回流等流动行为．３％的含气率并没有对液体流线造成明显干扰，和纯水工况相比，流线排列与速度大小无明显波动．速度流线显示，叶轮出口到蜗壳部位速度较高，蜗壳部位整体速度略高于叶轮内的流体速度，蜗壳出口部位速度有所减小．图６ 额定流量下入口含气率为３％时流线分布Ｆｉｇ．６ ＳｔｒｅａｍｌｉｎｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒＱ＝Ｑｄ，ＩＧＶＦ＝３％图７为ＩＧＶＦ＝５％时，离心泵内液体流线分布．入口含气率为５％时，在叶轮出口处，紧贴叶片吸力面一侧的流线速度有明显下降，大约从１７ｍ下降至２ｍ左右，并且这一部分液体无法顺利流至流道出口．液体流速下降剧烈甚至有向低压区倒流的趋势，说明水体的内能被消耗，导致流体没有充足的能量流至出口．含气率为５％时，相比较含气率为３％，水力损失加剧，所以入口的含气率与形成的水力损失成正比，这一点与许多研究成果相符．图７ 额定流量下入口含气率为５％时流线分布Ｆｉｇ．７ ＳｔｒｅａｍｌｉｎｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒＱ＝Ｑｄ，ＩＧＶＦ＝５％３２８图８为ＩＧＶＦ＝７％时，在额定流量下离心泵内液体流线分布．入口含气率为７％时会造成较为严重的水力损失，因为流道中２／３的流体流线速度下降至２ｍ左右，随着液体速度骤降，输水能力随之减弱．个别流道中部位置出现明显回流，回流区域堵塞了一部分流道，使得流道的利用率降低．同时回流造成流体能量损耗，速度波动形成新的回流，加剧了水力损失．图８ 额定流量下入口含气率为７％时流线分布Ｆｉｇ．８ ＳｔｒｅａｍｌｉｎｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒＱ＝Ｑｄ，ＩＧＶＦ＝７％整体看来，气液两相流必然会影响离心泵的内流与外特性，并且随着含气率增加，这种不良影响会加剧，扬程与效率会出现骤降，流线速度骤降并且出现回流等流动行为．３．２ 局部含气率分布图９为随入口含气率增加，叶轮内部局部含气率α分布情况．局部含气率可以直接反映气相在流道中的聚集情况．可视化试验研究发现气相聚集现象会引发气囊流流型（气相在流道中逐渐合并，形成气袋），由于气囊占用一部分流道，消耗流体内能，从而输水性能骤降．图９ 不同入口含气率下叶轮内局部含气率分布Ｆｉｇ．９ ＬｏｃａｌｇａｓｆｒａｃｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｉｎｉｍｐｅｌｌｅｒｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＩＧＶＦ入口含气率从３％依次递增至７％，前盖板气相聚集越来越明显．最初含气率为３％时，流道整体气体含率在１０％以下，因为气体流动状态整齐有序，粒子分布松散，相互聚合碰撞的概率很小．含气率达到５％之后，流道中部局部含气率超过８０％，并且紧贴叶片吸力面的含气率有所上升；最终可以在入口含气率为７％时明显观察到气囊，并可发现个别流道很大一部分面积局部含气率超过８０％．观察后盖板，局部的气体含量较低，从侧面说明了气囊更易发生在贴近前盖板的位置．入口含气率达到７％时，后盖板贴近叶轮的极小部位含气率有所上升．３种入口含气率条件下，后盖板的局部含气率均维持在１０％以下，说明含气率的增加对后盖板附近部位的流场并没有明显影响．３．３ 压力分布图１０所示为随入口含气率增加叶轮内部压力分布情况．由于扬程代表了离心泵的加压能力，如果离心泵内部的水力损失造成压降，会直接引起扬程的骤降．由于叶轮为主要的加压部位，所以流道的压力分布变化可以说明气液两相流对叶轮加压能力的影响．图１０ 不同入口含气率下叶轮压力分布Ｆｉｇ．１０ ＰｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｉｎｉｍｐｅｌｌｅｒｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＩＧＶＦ 叶轮是主要离心部件，通过将水体加压赋予水体能量，流体在出口与进口的压差越大，离心泵的扬程就越高．纯水工况下，流体正常加压，离心泵运转正常．流体在流道中部压力迅速升高，叶片工作面中部与叶片吸力面尾部压力急剧升高．当含气率逐步增加时，叶轮的加压能力显著减弱，由于叶片工作面与背面的高压区依次减少．含气率为３％时，相比较纯水工况，压力有微小损失，叶片压力面中部偏下部位，压力达到３００ｋＰａ，到叶片末尾压力逐步增加．含气率超过５％时，叶片压力面的压降十分明显，直到叶片尾部压力才升至３００ｋＰａ，叶片背面尾部的最大压力下降至２７０ｋＰａ左右．３２９４ 气相形变规律图１１为额定流量下，气泡直径ｄｂ随入口含气率的变化规律．ＭＵＳＩＧ模型与普通的欧拉－欧拉双流体模型相比较，引入了气相气泡粒子聚合与破碎的模型．图１１ 额定流量下不同含气率下气泡直径分布Ｆｉｇ．１１ ＢｕｂｂｌｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｉｎｉｍｐｅｌｌｅｒｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＩＧＶＦｆｏｒＱ＝Ｑｄ入口含气率为３％时，扬程与效率没有剧烈波动，因此推测此时流态为均匀泡状流，整个流道中的粒子直径几乎均大于０．３ｍｍ，叶轮出口边缘部位气泡粒子直径小于０．２ｍｍ，入口部位至流道中部的气泡直径为０．８ｍｍ左右．含气率增加至５％，这时出现性能骤降，推断入口部位有气囊初生．流道中的气体粒子直径跨度较明显，叶片吸力面靠近出口处为直径小于０．２ｍｍ的粒子，入口部位紧贴压力面的小部分流道粒子直径超过了０．８ｍｍ，说明较大的气泡在入口处合并为气囊，只有较小的气泡流至出口部位；入口含气率增加至７％，整体流道中的气泡明显变大，直径增加至０．５ｍｍ左右，流道入口沿着压力面的部位气相聚集成为气囊，所以显示气泡直径超过１ｍｍ．通过多次计算发现，持续增加最大气泡粒子直径对最终气泡直径分布没有明显影响，因为粒子聚合与分裂模型并不仅仅作用于最大直径的粒子．５ 结 论１）外特性结果显示整体试验与ＭＵＳＩＧ模拟结果匹配度较高，尤其当入口含气率小于３％时．入口含气率大于５％时，普通两相流模型计算准确性低于ＭＵＳＩＧ模型．２）通过ＭＵＳＩＧ模型非定常计算，分别研究了含气率为３％，５％，７％这３种情况时的内流规律．随着含气率增大，液体流线紊乱程度与回流程度加剧；紧贴前盖板位置的气相聚集逐渐严峻（但是后盖板部位没有气体聚集），逐渐从泡状流转变为气囊流；叶轮的加压能力急剧减弱．３）ＭＵＳＩＧ模型非定常计算显示，含气率的增大同时引起流体回流与局部含气率的升高，气囊的出现会占据一部分流道空间，使得叶轮出现一定程度的空转；流体能量被损耗和叶轮加压能力减弱是导致扬程和效率下降的主要原因．ＭＵＳＩＧ模型考虑了气相粒子之间的聚合以及破碎作用，较传统的欧拉－欧拉两相流模型更接近实际观测结果，说明性能骤降与气相的聚合与破碎有密切关系．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］ 王东伟，刘在伦，曾继来．离心泵非定常空化流场及空泡特征分析［Ｊ］．流体机械，２０２０，４８（１２）：２８－３５．ＷＡＮＧＤｏｎｇｗｅｉ，ＬＩＵＺａｉｌｕｎ，ＺＥＮＧＪｉｌａｉ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｕｎｓｔｅａｄｙｃａｖｉｔａｔｉｏｎｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｎｄｃａｖｉｔａｔｉｏｎｂｕｂｂｌｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｏｒａｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｆｌｕｉｄｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２０２０，４８（１２）：２８－３５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［２］ 刘宇宁，王秀勇，刘志远，等．多级离心泵水力性能数值模拟精度影响因素研究［Ｊ］．流体机械，２０２０，４８（１０）：４１－４７．ＬＩＵＹｕｎｉｎｇ，ＷＡＮＧＸｉｕｙｏｎｇ，ＬＩＵＺｈｉｙｕａｎ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｆｏｒｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｓｔａｇｅｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｆｌｕｉｄｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２０２０，４８（１０）：４１－４７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［３］ 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基于CFX的离心泵内部流场数值模拟基于CFX的离心泵内部流场数值模拟随着计算流体力学和计算机技术的快速发展，泵内部的流动特征成为热点研究方向，目前应用CFX 软件的科研人员还较少，所以将CFX使用的基本过程加以整理供初学者参考。
如有不对之处敬请指教。
一、CFX数值计算的完整流程二、基于ICEM CFD的离心泵网格划分导入几何模型修整模型创建实体创建PRAT设置全局参数划分网格检查网格质量并光顺网格导出网格－选择求解器导出网格三、CFX-Pre 设置过程基本步骤新建文件导入网格定义模拟类型创建计算域指定边界条件建立交界面定义求解控制定义输出控制写求解器输入文件定义运行计算过程四、CFX-Post后处理计算泵的扬程和效率云图矢量图流线图导入几何模型在ICEM CFD软件界面内，单击File→Imort Geometry→STEP/IGES（一般将离心泵装配文件保存成STEP格式），将离心泵造型导入ICEM，如图3所示。
图3 导入几何模型界面修整模型单击Geometry→Repair Geometry→Build Topology，设置Tolerence，然后单击Apply，如图4所示。
拓扑分析后生成的曲线颜色指示邻近表面的关系：green = 自由边，yellow = 单边，red = 双边，blue =多边，线条颜色显示的开/关Model tree →Geometry → Curves → Color by count，Red curves 表示面之间的间隙在容差之内, 这是需要的物理模型，Yellow edges 通常是一些需要修补的几何。
图4 修整模型界面2-3 创建实体单击Geometry→Creade Body，详细过程如图5所示。
图5 创建实体界面创建PRAT创建PART，是为了设置边界时使用，在模型树中，右键点击Part，在出现菜单中选择Create Part。
以此创建各个部件的part，如图6所示。
